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JP2976585B2 - 半導体装置の製造方法 - Google Patents

半導体装置の製造方法

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JP2976585B2
JP2976585B2 JP3135614A JP13561491A JP2976585B2 JP 2976585 B2 JP2976585 B2 JP 2976585B2 JP 3135614 A JP3135614 A JP 3135614A JP 13561491 A JP13561491 A JP 13561491A JP 2976585 B2 JP2976585 B2 JP 2976585B2
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JP
Japan
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oxide film
gate electrode
silicon nitride
film
nitride film
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孝 福所
祥哲 東宮
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Sony Corp
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Sony Corp
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D44/00Charge transfer devices
    • H10D44/01Manufacture or treatment
    • H10D44/041Manufacture or treatment having insulated gates
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10DINORGANIC ELECTRIC SEMICONDUCTOR DEVICES
    • H10D44/00Charge transfer devices
    • H10D44/40Charge-coupled devices [CCD]
    • H10D44/45Charge-coupled devices [CCD] having field effect produced by insulated gate electrodes 
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10STECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S148/00Metal treatment
    • Y10S148/114Nitrides of silicon

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  • Formation Of Insulating Films (AREA)
  • Solid State Image Pick-Up Elements (AREA)
  • Semiconductor Memories (AREA)
  • Non-Volatile Memory (AREA)
  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
  • Semiconductor Integrated Circuits (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特に固体撮像素子の水平転送部や垂直転送部等
の電荷転送部におけるゲート電極下のゲート絶縁膜の形
成方法に関する。
【0002】
【従来の技術】CCD固体撮像素子の水平転送部や垂直
転送部でのゲート構造の作成プロセスにおいて、ゲート
酸化膜を熱酸化により形成した後、減圧CVD法により
耐圧向上等のためにシリコン窒化膜(Si3N4) を堆積させ
ている。そして、このシリコン窒化膜の上に、直にポリ
シリコン電極を堆積させると、MOSキャパシタのC‐
V特性であるB‐Tバイアスによるフラットバンド電圧
FBの変動が悪化してしまうため、シリコン窒化膜を熱
酸化させることによってゲート電極下に薄い酸化膜を形
成させている。また、この酸化膜の形成によるフラット
バンド電圧VFBの安定化以外の目的としては、ゲート電
極をパターニングするときのエッチングによる下地選択
比の向上も挙げられる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記M
ONOS(Metal Oxide Nitrid Oxide Semiconductor)構
造のゲート絶縁膜では、ゲート電極下の薄い酸化膜を、
シリコン窒化膜を熱酸化させることで形成していたの
で、以下に示す如き問題点があった。すなわち、シリ
コン窒化膜の熱酸化は、温度が高く、時間が長くかかる
ので、固体撮像素子の微細化に伴い不純物の再拡散を防
ぐためには、低温化の方向のため、悪影響を及ぼすこと
になる。シリコン窒化膜を熱酸化させると、MOSキ
ャパシタのC‐V特性の直線性が悪化(非直線化)して
しまう。ゲート電極のエッチング時、シリコン窒化膜
上のシリコン酸化膜(SiO2)が殆ど無くなってしまい、1
層目電極のMOSと2層目電極のMOSで絶縁膜に膜厚
差が生じて容量、ポテンシャル差が発生することにな
る。ゲート電極が従来の2層構造から3層構造へと多
層化した場合、2層目電極のエッチング時にシリコン酸
化膜が無くなり、その下のシリコン窒化膜まで削ってし
まい、かなり大きな容量、ポテンシャル差になる。ゲ
ート電極をポリシリコン電極からタングステンシリコン
電極にとって代えた場合、下地選択比が悪化すること
と、タングステンシリコン電極をシリコン窒化膜で包み
込むプロセスを使用したとき、つけ直しのシリコン窒化
膜をその度に熱酸化しなければならなく、熱処理工程が
かなり多くなってしまう。
【0004】そこで、本発明は、素子の微細化に対応で
きるとともに、MOSキャパシタのC‐V特性の非直線
化を回避でき、しかもゲート電極のエッチングによる下
地選択比の悪化、バラツキの影響を排除でき、さらには
多層電極プロセスにおいて1層目MOS構造と同等の容
量、ポテンシャルを2層目以降のMOS構造にも実現可
能な半導体装置の製造方法を提供することを目的とす
る。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、半導体基板上に第1の酸化膜を介してシ
リコン窒化膜を形成し、このシリコン窒化膜上に減圧C
VD法によって第2の酸化膜を形成し、この第2の酸化
膜上にゲート電極をドライエッチングによりパターニン
グ後、ゲート電極の領域外の第2の酸化膜をウェットエ
ッチングにより除去し、しかる後ゲート電極上及びシリ
コン窒化膜上に第3の酸化膜を形成することを特徴とす
る。
【0006】本発明はさらに、ゲート電極の材料として
メタル又はメタルシリサイドを材料に用い、第2の酸化
膜上にゲート電極をパターニング後、ゲート電極の領域
外の第2の酸化膜及びシリコン窒化膜を除去し、しかる
後ゲート電極上及び第1の酸化膜上に第2のシリコン窒
化膜及び第3の酸化膜を順に形成することを特徴とす
る。
【0007】
【作用】ゲート絶縁膜を形成するに際し、先ず、半導体
基板上に第1の酸化膜を介して形成されたシリコン窒化
膜の上に、減圧CVD法によって第2の酸化膜を形成す
る。この減圧CVD法によれば、熱処理工程を削減でき
ることから、素子の微細化に対応でき、かつMOSキャ
パシタのC‐V特性の非直線化を回避できる。しかも、
ゲート電極のパターニングが終了した時点でドライエッ
チングを止め、ウェットエッチングによって第2の酸化
膜を取り除くようにすることにより、下地との選択比が
装置の差や、再現性、ウエハ面内あるいは面間バラツキ
によって生 じる残膜の厚みのばらつきを小さくできるた
め、再現性よく、所望の厚さのゲート絶縁膜を形成でき
る。
【0008】また、メタル又はメタルシリサイドを材料
に用いたゲート電極のパターニング後、第2の酸化膜の
つけ直しを行うことにより、ゲート電極のパターニング
の際のエッチングによる下地選択比の悪化、バラツキを
排除できるとともに、多層電極プロセスにおいても1層
目MOS構造と同等の容量、ポテンシャルを2層目以降
のMOS構造にも実現でき、特にシリコン窒化膜をもつ
け直すことにより、メタル又はメタルシリサイドを材料
に用いた各電極間に酸化膜、シリコン窒化膜および酸化
膜の3層構造のゲート絶縁膜が介在することになるた
め、電極間の耐圧をより向上できる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細
に説明する。図1は本発明によるゲート絶縁膜の形成方
法の一実施例を示す工程図である。本発明によるゲート
絶縁膜の形成方法においては、先ず、図1(A)に示す
ように、シリコン基板1上に熱酸化によって形成された
シリコン酸化膜(SiO2)2を介して減圧CVD法によりシ
リコン窒化膜(Si3N4) 3を堆積させる。続いて、図1
(B)に示すように、シリコン窒化膜3を熱酸化させ
ず、減圧CVD法によって100〜200Å程度の薄膜
としてシリコン酸化膜(SiO2)4をシリコン窒化膜3上に
堆積させる。
【0010】次に、図1(C)に示すように、減圧CV
D法によってシリコン酸化膜4上にポリシリコン層5を
堆積し、このポリシリコン層5を反応性イオン・エッチ
ング(RIE)等のプラズマドライエッチング法によっ
てパターニングすることにより、図1(D)に示すよう
に、ゲート電極6を形成する。ゲート電極6をエッチン
グした際、下地との選択比が装置の差や、再現性、ウエ
ハ面内或いは面間バラツキにより、残膜の膜厚に大きく
差を生じる。そのため、図1(E)に示すように、ゲー
ト電極6の領域外のシリコン窒化膜3上のシリコン酸化
膜4を全てフッ酸の薄い液(ウェットエッチング)によ
って除去する。
【0011】次いで、図1(F)に示すように、ゲート
電極6上とシリコン窒化膜3上に減圧CVD法によって
100〜200Å程度の薄膜としてシリコン酸化膜7を
堆積させる。このシリコン酸化膜7は、ゲート電極6の
下のシリコン酸化膜4と同一厚みで同製法によって形成
されることになる。この後は、従来のプロセスと同様に
ポリシリコンのゲート電極6の熱酸化を行い、しかる後
次工程へ進む。
【0012】上述したように、CCD固体撮像素子の水
平転送部や垂直転送部等でのMONOS構造のゲート絶
縁膜の形成において、シリコン窒化膜3上のシリコン酸
化膜4の形成を、従来の熱酸化法ではなく減圧CVD法
によって行うことにより、熱処理工程を削減できること
から、MOSキャパシタのC‐V特性の非直線性を回避
できるとともに、素子の微細化に対応できることにな
る。
【0013】また、シリコン酸化膜7のつけ直しプロセ
スを追加したことにより、ゲート電極6のエッチングに
よる下地選択比の悪化、バラツキの影響を排除できると
ともに、多層電極プロセスにおいても、1層目MOS構
造と同等の容量、ポテンシャルが2層目以降のMOS構
造にも実現できることになる。例えば2層電極構造の場
合には、図2に示すように、1層目のゲート電極6を覆
うシリコン酸化膜7上にポリシリコンによる2層目のゲ
ート電極8をパターニングすることにより、シリコン酸
化膜4とシリコン酸化膜7との膜厚が同一であることか
ら、1層目のゲート電極6のMOSキャパシタと2層目
のゲート電極8のMOSキャパシタで絶縁膜の膜厚差が
ないため、1層目MOS構造と2層電極構造で同等の容
量、ポテンシャルを実現できるのである。
【0014】なお、上記実施例においては、ゲート電極
6,8として、ポリシリコン電極を用いた場合について
説明したが、ポリシリコン電極に限らず、メタル又はメ
タルシリサイド電極を用いた場合にも同様に適用可能で
ある。 また、シリコン窒化膜3上に減圧CVD法によっ
て堆積されるシリコン酸化膜 4は、ソースガスや成長温
度の制約をつけないものとする。
【0015】図3は、本発明によるゲート絶縁膜の形成
方法の他の実施例を示す工程図である。本実施例におい
て、シリコン基板1上にシリコン酸化膜2を介して減圧
CVD法によってシリコン窒化膜3を堆積させ、このシ
リコン窒化膜3上に減圧CVD法によってシリコン酸化
膜4を堆積させ、このシリコン酸化膜4上にメタル又は
メタルシリサイドを材料に用いたゲート電極をパター
ニングするまでの工程は、図1の(A)〜(D)までの
各工程と同じである。
【0016】メタル又はメタルシリサイドを材料に用い
ゲート電極6のパターニング後、図3(A)に示すよ
うに、ゲート電極を酸化させてシリコン酸化膜9を形
成し、続いて図3(B)に示すように、このシリコン酸
化膜9をマスクとしてRIE等のプラズマドライエッチ
ング法などによってシリコン酸化膜4のみならず、シリ
コン窒化膜3をも取り除く。しかる後、図3(C)に示
すように、シリコン窒化膜10及びシリコン酸化膜11
を減圧CVD法によってシリコン窒化膜3及びシリコン
酸化膜4と同一の膜厚で順に堆積することにより、シリ
コン窒化膜10及びシリコン酸化膜11のつけ直しを行
う。
【0017】上記ゲート構造を用いた例えば2層電極構
造を図4に示す。同図から明らかなように、ゲート電極
6のパターニング後、シリコン窒化膜10及びシリコン
酸化膜11をつけ直しすることにより、1層目のゲート
電極6と2層目のゲート電極8の間に、シリコン酸化膜
9、シリコン窒化膜10およびシリコン酸化膜11の3
層構造のゲート絶縁膜が介在することになるため、両ゲ
ート電極6,8間の耐圧をより向上できることになる。
【0018】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ゲート絶縁膜を形成するに際し、半導体基板上に第1の
酸化膜を介して形成されたシリコン窒化膜の上に、減圧
CVD法によって第2の酸化膜を形成することにより、
熱処理工程を削減できるため、素子の微細化に対応で
き、しかもMOSキャパシタのC‐V特性の非直線化を
回避でき、さらにはゲート電極のパターニングが終了し
た時点でドライエッチングを止め、ウェットエッチング
によって第2の酸化膜を取り除くようにすることによ
り、下地との選択比が装置の差や、再現性、ウエハ面内
あるいは面間バラツキによって生じる残膜の厚みのばら
つきを小さくできるため、再現性よく、所望の厚さのゲ
ート絶縁膜を形成できる効果がある。
【0019】また、ゲート電極のパターニング後、第2
の酸化膜のつけ直しを行うことにより、ゲート電極のパ
ターニングの際のエッチングによる下地選択比の悪化、
バラツキを排除できるとともに、多層電極プロセスにお
いても1層目MOS構造と同等の容量、ポテンシャルを
2層目以降のMOS構造にも実現でき、特に第2の酸化
膜とともにシリコン窒化膜をもつけ直すことにより、
タル又はメタルシリサイドを材料に用いた各ゲート電極
間にシリコン窒化膜を含む3層構造のゲート絶縁膜が介
在することになるため、各層のゲート電極間の耐圧をよ
り向上できることになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明よるゲート絶縁膜の形成方法の一実施
例を示す工程図である。
【図2】本発明によるゲート構造の一例を示す断面図で
ある。
【図3】本発明よるゲート絶縁膜の形成方法の他の実
施例を示す工程図である。
【図4】本発明によるゲート構造の他の例を示す断面図
である。
【符号の説明】
1…シリコン基板、2,4,7,9,11…シリコン酸
化膜、3,10…シリコン窒化膜、6,8…ゲート電極
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01L 27/14 - 27/148 H01L 29/762 - 29/768

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 半導体基板上に第1の酸化膜を介してシ
    リコン窒化膜を形成し、 前記シリコン窒化膜上に減圧CVD法によって第2の酸
    化膜を形成し、 前記第2の酸化膜上にゲート電極をドライエッチングに
    よりパターニング後、前記ゲート電極の領域外の前記第
    2の酸化膜をウェットエッチングにより除去し、 しかる後、前記ゲート電極上及び前記シリコン窒化膜上
    に第3の酸化膜を形成してゲート絶縁膜とすることを特
    徴とする半導体装置の製造方法
  2. 【請求項2】 半導体基板上に第1の酸化膜を介して第
    1のシリコン窒化膜を形成し、 前記第1のシリコン窒化膜上に減圧CVD法によって第
    2の酸化膜を形成し、前記第2の酸化膜上にメタル又は
    メタルシリサイドを材料に用いたゲート電極をパターニ
    ング後、前記ゲート電極の領域外の前記第2の酸化膜及
    び前記第1のシリコン窒化膜を除去し、 しかる後、前記ゲート電極上及び前記第1の酸化膜上に
    第2のシリコン窒化膜及び第3の酸化膜を順に形成する
    ことを特徴とする半導体装置の製造方法
JP3135614A 1991-05-10 1991-05-10 半導体装置の製造方法 Expired - Lifetime JP2976585B2 (ja)

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